專利名稱：具有涂層的銑削刀片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有涂層的硬質合金銑削刀片，特別適用于在干燥環境中的灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵、具有或不具有鑄造表皮的蠕墨鑄鐵(CGI)的粗加工或半精加工銑削。
背景技術：
當硬質合金切削刀片用于鑄鐵的加工時，切削刀刃會由于不同的磨損原理，如化學磨損以及磨損量而被磨損。另外，銑削切削刀刃通常會產生梳狀裂縫。形成的梳狀裂縫垂直于刀刃，且這是周期負荷和熱負荷作用的結果。當梳狀裂縫延伸至硬質合金體一定的深度后，刀刃就開始產生碎裂和斷裂。
鑄鐵構件的顯著特點就是其硬表面區的結構相當大偏離其整體結構。其表面區通常包含硬夾雜物和模具上來的沙粒。這使得對鑄鐵的切削有很高的要求。同時，切削刀片應當能夠應付大范圍的切削條件，如不同的切削速度、切削深度和切削給進速度以及可控的外部條件，如工件的振動。
所有的這些因素要求切削刀片的多種性能。用于銑削鑄鐵的商用硬質合金刀片一般優選地相對于一種或兩種所述的磨損類型進行優化。
美國專利No.5912051披露了一種特別適用于干銑削灰口鑄鐵的、具有涂層的切削刀片。
美國專利No.6062776披露了一種具有涂層的硬質合金切削刀片，其特別適用于在需要具有高硬度的硬質合金刀刃的切削加工中，濕銑削或干銑削具有或不具有磨蝕表面區的低合金鋼和中合金鋼，或不銹鋼工件。所述的外部切削條件為工件的復雜形狀、振動、碎屑鍛壓、碎屑的再次切削等等。
美國專利No.6177178披露了一種特別適用于濕銑削和干銑削低合金鋼和中合金鋼的、具有涂層的硬質合金切削刀片。
WO 01/16388披露了一種具有涂層的刀片，其特別適用于在高的切削速度下，干銑削或濕銑削具有或不具有磨蝕表面區的低合金鋼或中合金鋼，以及在高的切削速度下，銑削淬硬鋼。
美國專利No.6638609披露了一種具有涂層的銑削刀片，其特別適用于在低的或中等的切削速度下，干銑削具有或不具有鑄皮(castskin)的灰口鑄鐵，以及在中等切削速度下，濕銑削具有或不具有鑄皮的球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。
美國專利申請2006/0115683披露了一種具有涂層的銑削刀片，其特別適用于在高的切削速度下，干銑削具有或不具有鑄皮的灰口鑄鐵，以及在高的切削速度下，干銑削具有或不具有鑄皮的球墨鑄鐵或蠕墨鑄鐵。所述的刀片為具有低含量立方碳化物的WC-Co硬質合金，以及高W-合金化粘結相，以及包含柱狀晶粒的TiCxNy內層，其上為α-Al2O3濕噴砂層。
發明內容
本發明的目的在于提供一種較現有的刀具具有顯著的優良的切削性能的、具有涂層的硬質合金切削刀，其特別適用于優選在較高的切削速度下，粗銑削灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵，以及蠕墨鑄鐵。
令人驚訝的發現，如果所述的刀片包括具有W-合金化粘結相、良好平衡的化學組分以及一定晶粒尺寸的WC的硬質合金體，柱狀TiCxNy-層和后處理的α-Al2O3頂層，則考慮到上述切削工藝中常見的不同的磨損類型，能夠制得具有良好性能的銑削切削工具刀片。
根據本發明，具有涂層的切削刀片包含硬質合金體，其成分為7.3-7.9wt％的Co，優選7.5-7.7wt％的Co；1.0-2.0wt％、優選1.3-1.7wt％的Ta、Nb和Ti的金屬立方碳化物，以及余量為WC，優選90.6-91.2wt％WC。Ti含量優選在工業雜質的水平上或為0。矯頑磁性，Hc的值應在13.8-15.7kA/m的范圍內，優選為14.2-15.2kA/m內。
鈷粘結相同W合金化。粘結相中W的含量如下式所示CW-比值＝磁性-％Co/wt-％Co其中磁性-％Co為磁性Co的重量百分比，以及wt-％Co為硬質合金中Co的重量百分比。
CW-值為Co粘結相中W含量的函數。0.75-0.8的CW-值相當于粘結相中很高的W-含量，而CW-比值為1大體上相當于沒有W-合金化。
本發明中所述的良好的切削性能在下述情況下得到A)硬質合金體具有與W合金化的鈷粘結相，相當于CW-比值為0.85-0.94，優選為0.88-0.92，以及B)涂覆之前的刀片具有25-50μm的刀刃倒角。
C)涂層具有-TiCxNyOz第一最內層，其中x+y+z＝1，y＞x以及z＜0.2，優選y＞0.8，z＝0，且總厚度為0.1-1.5μm，優選總厚度＞0.4μm。
-TiCxNy第二層，其中x+y＝1，x＞0.3，y＞0.3，且厚度為4.5-9.5μm，優選為5-7.5μm，具有柱狀晶。
-TiCxNyOz第三層，其中x+y+z＝1，x＞0.3，z＞0.3，0≤y＜0.2，且厚度為0.3-1.5μm。
-平滑的α-Al2O3第四層，厚度為9-15μm，優選為10-12μm，且在10μm長度范圍內的切削區域的表面粗糙度為Ra＜0.4μm。
-Al2O3第四層的層厚同TiCxNy第二層的層厚比值優選為1.3-2.4。
-刀后角邊上厚度為0.1-2μm的涂色頂層，優選為TiN或ZrN。
本發明還涉及到一種制造涂層切削工具刀片的方法，所述的刀片具有硬質合金體，其成分為7.3-7.9wt％的Co，優選為7.5-7.7wt％的Co；1.0-2.0wt％，優選1.3-1.7wt％的Ta、Nb和Ti的金屬立方碳化物；余量為WC，優選為90.6-91.2wt％的WC。Ti含量優選處于工業雜質水平或更少，下至0。選擇制造條件，以得到燒結結構，其矯頑磁性，Hc值為13.8-15.7kA/m，優選為14.2-15.2kA/m；以及合金有W的鈷粘結相，其相當于CW-比值為0.85-0.94，優選為如上述限定的0.88-0.92。在將刀片濕噴砂至形成25-50μm切削刀刃倒角后，沉積出包含如下層的涂層-TiCxNyOz第一最內層，其中x+y+z＝1，y＞x以及z＜0.2，優選y＞0.8，z＝0，且總厚度為0.1-1.5μm，優選＞0.4μm，利用已知的CVD法。
-TiCxNy第二層，其中x+y＝1，x＞0.3，y＞0.3，優選x＞0.5，且厚度為4.5-9.5μm，優選5-7.5μm，具有柱狀晶粒，且利用MTCVD法，將氰化甲烷作為在溫度范圍為700-900℃下形成層的源和氮源。然而，確切的條件在一定程度上依賴于所使用設備的類型。
-TiCxNyOz第三層，其中x+y+z＝1，x＞0.3，z＞0.3，0≤y＜0.2，且厚度為0.3-1.5μm，利用反應混合物TiCl4、CO、H2或TiCi4、CO、H2、N2通過CVD法制得。
-光滑α-Al2O3第四層，其厚度為9-15μm，優選為10-12μm，利用已知的CVD法。
Al2O3第四層同TiCxNy第二層的層厚比值優選為1.3-2.4。
-厚度為0.1-2μm的涂色頂層，優選為TiN或ZrN，利用CVD或PVD法。
最后，對前刀面上和沿著切削刀刃線的Al2O3層進行濕噴砂，以得到光滑表面精度，優選地，利用包含Al2O3沙礫和水的漿料，在長度10μm范圍內的切削區域的表面粗糙度為Ra＜0.4μm。或者，在將涂色頂層沉積在刀后角面之前，可以進行這個濕噴砂步驟。
本發明還涉及利用上述切削工具刀片，以150-375m/min的切削速度，以及由切削速度和刀片的幾何尺寸確定的0.1-0.35mm/齒的給進量，對鑄鐵，如灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵或蠕墨鑄鐵進行干銑削。
具體實施例方式
實施例1(本發明)在型號為R245-12T3M-KM、R290-12T308M-KM以及SPKN1204EDR的機器中，將粉末壓制成硬質合金銑削坯體，所述粉末的成分為7.6wt％的Co、1.25wt％的TaC、0.30wt％的NbC以及余量的WC，隨后在1410℃下，利用常用工藝對該銑削坯體進行燒結，燒結刀片的Hc的值為14.7kA/m，以及磁性Co的含量為6.85wt％，相當于0.90的CW比值。利用濕噴砂法使刀片形成半徑為35μm的切削刀刃倒角，然后涂覆上厚度為0.5μm的第一TiCxNy層，其具有相當于y值大約為0.95的高含氮量，然后涂覆上厚度為6μm的第二TiCxNy層，利用MTCVD法(溫度為850-885℃，并將CH3CN用作碳/氮源)，x的值大約為0.55，且具有柱狀晶結構。在同樣涂覆循環的過程的隨后步驟里，沉積厚度為1μm的第三Ti(C，O)層，然后沉積厚度為11μm的第四α-Al2O3層以及厚度為1μm的TiN頂層。
為了除去TiN頂層以及在10μm的長度上形成表面光潔度為Ra＝0.2μm的暴露Al2O3層，利用鋁土沙礫，在前刀面上對刀片進行濕噴砂處理。
實施例2(現有技術)同實施例1所述的刀片具有同一類型，如表1所述的硬質合金銑削刀由現有的技術制得。
表1
實施例3通過對高合金化灰口鑄鐵的汽缸體蓋的端面進行銑削，對本發明實施例1所述的刀片進行測試。
工具R245-12T3M-KM切削機中刀片的數量24pcs標準表面光潔度以及工件屑參照物R245-12T3M-KM，實施例2中現有技術的試樣A切削數據切削速度Vc＝350m/min給進率 Fz＝0.15mm每齒切削深度Ap＝0.5mm干銑削測得試樣A的工具的使用壽命為174個汽缸體蓋，本發明所述的刀片為215個。
結果本發明所述刀片的使用壽命提高了23％，并且具有良好的表面光澤。
實施例4通過對高合金化灰口鑄鐵的中心汽缸體的端面銑削，對本發明實施例1所述的刀片進行測試。
工具R245-12T3M-KM切削機中刀片的數量10pcs標準表面光潔度以及工件屑參照物R245-12T3M-KM，實施例2中現有技術的試樣A切削數據切削速度Vc＝251m/min給進率 Fz＝0.24mm每齒切削深度Ap＝2-3mm干銑削兩次試驗中，試樣A的平均使用壽命為50分鐘，本發明所述的刀片的使用壽命為80分鐘。
實施例5通過對灰口鑄鐵制成的發電機樞軸回轉體的端面銑削，對本發明實施例1所述的刀片進行測試。
工具SPKN1204 EDR切削機中刀片的數量8pcs標準表面光潔度以及工件屑參照物SPKN1204 EDR，實施例2中現有技術的試樣B切削數據切削速度Vc＝350m/min給進率 Fz＝0.19mm每齒切削深度Ap＝3-4mm干銑削試樣B以及本發明所述的刀的使用壽命分別為3 8分鐘和56分鐘。
實施例6通過對蠕墨鑄鐵(CGI)的汽缸體蓋進行端面銑削，對本發明實施例1所述的刀片進行測試。
工具R290-12T308M-KM切削機中刀片的數量6pcs標準表面光潔度以及工件屑參照物R290-12T308M-KM，實施例2中現有技術的試樣A切削數據切削速度Vc＝300m/min給進率 Fz＝0.15mm每齒切削深度Ap＝3.0mm干銑削試樣A以及本發明所述的刀的使用壽命分別為60個汽缸體蓋和85個汽缸體蓋。
從實施例1-6可清楚地看出，同現有技術的刀片相比，本發明所述的刀片具有良好的切削性能。其主要的優點就是刀側面磨損和凹坑磨損增長緩慢，這是因為硬質合金體中成分含量均衡，以及總涂層厚度非常大。
權利要求
1.一種用于在銑削干燥條件下對具有或不具有鑄皮的灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵以及蠕墨鑄鐵(CGI)進行銑削的切削工具刀片，其包括具有涂層的硬質合金體，其特征在于；所述硬質合金體具有25-50μm的邊緣半徑，其包含WC，7.3-7.9wt％的Co以及1.0-2.0wt％的Ti、Ta和Nb的金屬立方碳化物，0.85-0.94的CW-比值，13.8-15.7kA/m的矯頑磁性Hc，并且所述涂層包括-TiCxNyOz第一最內層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，總厚度為0.1-1.5μm，-具有柱狀晶粒的TiCxNy第二層，其中x+y＝1，x＞0.3，y＞0.3，且厚度為4.5-9.5μm，-TiCxNyOz第三層，其中x+y+z＝1，x＞0.3，z＞0.3，0≤y＜0.2，且厚度為0.3-1.5μm，-平滑α-Al2O3第四層，且厚度為9-15μm，優選地，在長度10μm范圍內的切削區域內的表面粗糙度為Ra＜0.4μm，-刀后角邊上厚度為0.1-2μm的涂色頂層，優選為TiN或ZrN。
2.根據權利要求1所述的用于銑削的切削工具刀，其特征在于Ti含量處于工業雜質水平或更少。
3.根據權利要求1或2所述的用于銑削的切削工具刀，其特征在于所述的硬質合金體包含1.3-1.7wt％的Ta和Nb的碳化物。
4.一種制造具有硬質合金體和涂層的銑削切削工具刀的方法，其特征在于以下步驟-提供一種硬質合金體，其包含WC，7.3-7.9wt％的Co以及1.0-2.0wt％的Ti、Ta和Nb的金屬立方碳化物，以及W-合金化粘結相，其具有0.85-0.94的CW-比值和13.8-15.7kA/m的矯頑磁性Hc，-將刀片濕噴砂至形成25-50μm刀刃倒角，-利用CVD法沉積TiCxNyOz第一最內層，其中x+y+z＝1，y＞x且z＜0.2，總厚度為0.1-1.5μm，-利用MTCVD法沉積具有柱狀晶粒的TiCxNy第二層，其中x+y＝1，x＞0.3，y＞0.3，且厚度為4.5-9.5μm，其中MTCVD法利用氰化甲烷作為在溫度范圍為700-900℃下形成層的碳源和氮源，-利用CVD法沉積TiCxNyOz第三層，其中x+y+z＝1，x＞0.3，z＞0.3，0≤y＜0.2，且厚度為0.3-1.5μm，-利用已知的CVD法沉積α-Al2O3第四層，厚度為9-15μm，以及-利用CVD法或PVD法，在刀后角邊上沉積厚度為0.1-2μm的涂色頂層，優選為TiN或ZrN，-對前刀面上和沿著切削刀刃線的Al2O3層進行濕噴砂，得到光滑的表面光潔度，且優選地，利用水中包含Al2O3沙礫的漿料，在長度10μm范圍內的切削區域的表面粗糙度為Ra＜0.4μm。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于Ti含量處于工業雜質水平或＝0。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特征在于所述硬質合金體包含1.3-1.7wt％的Ta和Nb的碳化物。
7.利用權利要求1-3所述的切削工具刀，在150-375m/min的切削速度下，對鑄鐵，如灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵進行干銑削，且根據切削速度和刀片的幾何形狀，給進量在0.1-0.35mm/齒。
全文摘要
本發明公開了一種具有涂層的硬質合金銑削刀片，特別適用于在干燥環境中的灰口鑄鐵、高合金化灰口鑄鐵、具有或不具有鑄造表皮的蠕墨鑄鐵(CGI)的粗加工的或半精加工的銑削。所述的刀片具有低立方碳化物含量的WC－Co硬質合金、W合金化粘結相以及涂層，該涂層包括具有柱狀晶粒的TiC
文檔編號B23C5/00GK101088757SQ200710110109
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月15日 優先權日2006年6月15日
發明者比約恩·永貝里, 萊夫·阿克松, 伊布拉尼姆·薩迪克 申請人:山特維克知識產權股份有限公司